Forscher sollen nun Testen, wofür sie den Quantencomputer brauchen können: Etwa für die Lösung von Problemen der Quantenmechanik.
Wie mit Quantenrechnern neue Supercomputer entstehen und was sie bringen
In Österreich floriert die Quantenforschung, was spätestens 2022 der Nobelpreis für den Wiener Quantenforscher Anton Zeilinger deutlich gemacht hat. An der Universität Innsbruck gibt es eines der weltweit führenden Forschungszentren für Quantencomputer. Dort wurde nun der Supercomputer LEO5 mit dem Quantenrechner IBEX Q1 zu einem Hybridcomputer verbunden.
Die Hybridlösung soll die Vorteile der jeweiligen Rechnerarten kombinieren. Davon erhoffen sich die Forscher neue Erkenntnisse in den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften und Statistik. Physiker und Informatiker aus dem In- und Ausland sollen darauf zugreifen und ausprobieren können, für welche Berechnungen sich welches System besser eignet.
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Kommunikation mit Quantencomputer läuft über Python
Nun können Informatiker beginnen, standardisierte Codes für Quantencomputer zu entwickeln. Für die Interaktion mit dem hybriden Computer müssen sie kein zusätzliches Studium absolvieren: Um ihm Anweisungen zu geben, reicht die häufig gebrauchte Programmiersprache Python, die bereits HTL-Schüler lernen.
Auf sogenannten Racks sind die einzelnen Computer im Verbund des Datencenters LEO5 integriert.
© Eva Fessler/Uni Innsbruck
Uni Innsbruck forscht seit 30 Jahren am "Zukunftscomputer"
Seit rund 30 Jahren gelingen in Innsbruck laufend Durchbrüche bei Quantencomputern: Bereits Mitte der 90er-Jahre überlegten sich der Österreicher Peter Zoller und der Spanier Ignacio Cirac die theoretische Grundlage für den Quantencomputer. „Erste experimentelle Umsetzungen davon gab es dann an der Uni Innsbruck Anfang 2000“, erklärt Thomas Monz, Physiker und CEO von AQT, die den Innsbrucker Quantencomputer gebaut haben.
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Rechenmaschinen verarbeiten Nullen und Einsen
Quantencomputer unterscheiden sich von klassischen Computern grundlegend. Unsere Handys und Laptops sind in Wirklichkeit nichts anderes als Rechenmaschinen. Im Inneren laufen Codes ab, die aus Nullen und Einsen bestehen. Die Aufeinanderfolge dieser beiden Zahlen ist das Grundprinzip des Computers. Quantencomputer sind hingegen eine gänzlich neue Technologie. Zwar sind auch sie Rechenmaschinen, allerdings können diese zwischen den beiden Werten schwingen und diese gleichzeitig darstellen. Wegen dieses Prinzips, das Superposition (siehe Fakten) genannt wird, rechnen sie anders und vielleicht irgendwann bei manchen Dingen schneller. „Ob die Leistung unserer klassischen Computer reicht, hängt davon ab, was man mit ihnen tut. Wenn man nur eMails schreibt und Videos ansieht, wird man mit Laptop und Handy auskommen. Es gibt aber Probleme, wo das nicht der Fall ist“, erklärt Monz.
Fakten
Quantencomputer
funktionieren mit sogenannten Qubits, die gleichzeitig die Zustände 0 und 1 haben können und deshalb Berechnungen parallel durchführen können. Dieses Schwingen zwischen den Zuständen nennt man Superposition. Ein stark vereinfachtes Beispiel: Ein normaler Computer muss eine Liste mit 1000 Namen einen nach dem anderen hintereinander durchgehen. Ein Quantencomputer kann die Namen gleichzeitig durchsuchen. Bei den meisten Aufgaben performen klassische Computer aber derzeit dennoch besser.
Supercomputer LEO5
Der Supercomputer der Universität Innsbruck ist ein sogenanntes HPC-Zentrum (High Performance Computing). Es handelt sich um viele verschiedene, miteinander vernetzte Computer, die jeweils spezialisierte Aufgaben übernehmen. Jetzt ist auch der Quantencomputer des Tiroler Forschungs-Start-ups AQT eine solche spezialisierte Einheit in diesem Verbund. Nicht nur Forscher in Innsbruck können darauf zugreifen, sondern auch andere. Etwa Forscher von der TU Wien und Universität Linz.
Der Quantencomputer IBEX Q1 des Forschungsunternehmens AQT passt exakt in die standardisierten Racks des Rechenzentrums.
© Dieter Kühl/AQT
Was haben Quanten mit Pilzen zu tun?
Ein Beispiel kommt aus der Landwirtschaft. „Etwa drei bis vier Prozent des derzeitigen Strombedarfs gehen derzeit für die Düngemittelproduktion drauf. Diese braucht man künftig nicht nur für Lebensmittel, sondern vielleicht auch zur Aufforstung von Wüsten“, sagt er. Das Ammoniak für Düngemittel wird derzeit mit dem sogenannten Haber-Bosch-Verfahren aus Stickstoff und Wasserstoff mit hohem Druck und Temperaturen industriell hergestellt.
Das verbraucht viel Energie. „Es gibt aber auch Pilze, die in Baumwurzeln leben, die Stickstoff aus der Luft aufnehmen und einfach an den Baum abgeben. Der Mensch macht aber weiter das stromintensive Haber-Bosch-Verfahren, weil wir den Pilz-Prozess nicht nachbauen können. Wir können ihn nicht nachbilden, weil es ein chemischer Prozess ist, der mit den Regeln der Quantenmechanik beschrieben werden muss“, erklärt Monz.
In vielen Bereichen der Chemie, wo Quantenmechanik im Spiel ist, könnten Quantencomputer schon bald hilfreich sein. Momentan sind ihnen herkömmliche Computer bei den meisten Rechenaufgaben aber immer noch weit überlegen.
Internationales Wettrennen
Ähnliche Versuche wie in Innsbruck gibt es auch in Deutschland und Polen. Mit ihnen arbeiten die Innsbrucker Forscher zusammen. Einige Wissenschafter und Investoren glauben, dass die neuen Computer die Welt verändern werden. Kritiker warnen währenddessen vor überzogenen Versprechungen.
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Politiker nehmen den „Zukunftscomputer“ allerdings ernst, wie jüngste Maßnahmen nahelegen: Die USA etwa schirmt seine Forschung in dem Bereich immer mehr ab und holt sie sukzessive ins eigene Land zurück. Jüngst sperrte etwa Microsoft deshalb seine Quantenforschungsabteilung in Australien zu. Am meisten Geld hat China bisher in die Technologie gesteckt.
„In der Wissenschaft hat es immer schon ein Wettrennen gegeben. Die neuen internationalen Exportbestimmungen erschweren die Zusammenarbeit aber zunehmend“, meint Monz.
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